5.3.Розрахунок теплових ефектів

5.3.1. Розрахунок теплових ефектів хемічних реакцій за теплом утворення сполук

1. Термохемія дозволяє зробити розрахунок теплових ефектів процесів – хемічних реакцій, розчинення, випаровування, перегону, кристалізації тощо.

2. Розрахунок теплових ефектів хемічних реакцій на основі закону Гесса проводять за теплом утворення і теплом згоряння сполук.

3. Теплом утворення називають тепловий ефект хемічної реакції утворення даної сполуки з простих речовин (1 моля сполуки як одиниці кількости речовини): ΔH_f.

4. При цьому тепло утворення простих речовин (N₂, Н₂, О₂) приймають таким, що дорівнює нулю.

5. У зв’язку з тим, що тепловий ефект хемічних реакцій залежить від умов проведення (T, p), прості речовини розглядаються в тому аґреґатному стані і у тій модифікації, в яких вони є стабільними при стандартних (нормованих) умовах: певна модифікація, Tº, рº.

6. Тепло утворення, що розраховане для стандартних умов носить назву стандартного(нормованого).

Наприклад, стандартним теплом утворення карбонату кальцію є тепловий ефект реакції:

Са (т) + С (т) + О₂ (ґ) = СаСО₃ (т), = − 1206 кДж. (5.23)

^{(метал) (ґрафіт) (кристали)}

Тут − тепло утворення СаСО₃ (т).

Такі хемічні реакції переважно практично нездійснені, але їх теплові ефекти застосовують як допоміжні при розрахунках величин тепла утворення інших речовин. Тепло утворення можна віднести до будь-якої кількости речовини (моль, кг, м³).

7. Необхідно розрізняти тепло утворення сполуки з простих речовин від атомарного тепла утворення сполуки. Утворення молекул з вільних атомів завжди супроводжується виділенням енергії.

При утворенні сполук з простих речовин енергія у формі тепла може виділятися або поглинатися, так як утворення вільних атомів з простих речовин вимагає витрат енергії.

Наприклад, утворення ацетилену з атомів вуглецю і водню супроводжується виділенням енергії у формі тепла:

2С (т) + 2Н (ґ) = С₂Н₂ (ґ), = − 1648 кДж. (5.24)

^{(атом вуглецю) (атом водню)}

Утворення ацетилену з ґрафіту і молекули водню супроводжується поглинанням енергії у формі тепла:

2С (т) + Н₂ (ґ) = С₂Н₂ (ґ), = +227 кДж. (5.25)

^{(ґрафіт) (молекула водню)}

Так як розклад молекули водню на атоми вимагає витрат енергії +437 кДж/моль, а для отримання вільних атомів вуглецю з ґрафіту необхідно витратити +719 кДж/г-атом = +719 кДж/моль, то утворення вільних атомів вуглецю і водню в кількости, що необхідна для утворення 1 моля ацетилену, вимагає:

(+437) + 2·(+719) = + 1875 кДж. (5.26)

Різниця між + 1875 – 1648 = +227 кДж відповідає (5.25).

8. Порівняно за невеликим числом стандартного тепла утворення сполук можна розрахувати теплові ефекти більшости хемічних реакцій.

Із закону Гесса витікає, що тепловий ефект хемічної реакції дорівнює різниці між сумою тепла утворення продуктів реакції та сумою тепла утворення вихідних речовин:

́, (5.27)

де – стандартний тепловий ефект хемічної реакції;

– сума тепла утворення продуктів хемічної реакції;

– сума тепла утворення вихідних речовин (f – від formation – утворення);

, − стехіометричні коефіцієнти продуктів реакції і вихідних речовин відповідно у рівнянні хемічної реакції.

Так, для довільної хемічної реакції

bB + dD = gG + rR, (5.28)

де B, D − вихідні речовини;

G, R − продукти хемічної реакції;

b, d, g, r − стехіометричні коефіцієнти вихідних речовин і продуктів хемічної реакції.

Якщо , , , − тепло утворення вихідних речовин і продуктів реакції відповідно, то тепловий ефект хемічної реакції при температурі Тº:

ΔНº = [g +r ] − [b + d ]. (5.29)